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基于金属卤化物的直接和间接X射线探测器

已有 1768 次阅读 2019-10-18 09:22 |系统分类:科研笔记

X射线探测器广泛应用于安检、医学成像、工业探伤、核电站以及科学研究等领域。其工作模式主要分为以下两种,将X射线直接转化成电信号的直接探测,及将X射线转化成可见光再经光探测器转换为电信号的间接探测。由于X射线对人体有一定伤害,因此,寻找一种具有高灵敏度和低检测限的X射线探测器材料尤为重要,并且传统X射线探测器材料如直接探测材料或者间接探测材料闪烁体具有制备复杂(如CZT),稳定性差(如a-Se),灵敏度低(如CsI:Tl)等缺点。本课题组致力于开发高灵敏X射线转换材料与高性能探测器,于最近连续发表两篇X射线探测文章于Advanced materials,在直接探测和间接探测方向均取得一定进展。

在间接探测闪烁体领域,闪烁体的光产额是决定X射线转换效率和探测对比度的重要指标之一。具有大的斯托克斯位移和高的光量子产率(PLQY)是获得高光产额的先决条件。课题组以RbBr和CuBr为前驱体,利用降温析晶法合成得到了一种新型的、具有一维晶体结构的、非铅金属卤化物闪烁体R2CuBr3。其激发波长为300nm,发射波长为385 nm,斯托克斯位移达到85nm(0.91eV),自吸收效应低;其一维的晶体结构及易畸变的晶格特性,导致其极易形成自限域激子(STE),且具有758.9 meV的激子结合能,保证了高的辐射复合效率,光量子产率达到98.6%,为高光产额提供了必要条件。闪烁特性表征发现,Rb2CuBr3和传统闪烁体(CsI:Tl或LYSO)的X射线吸收能力相当,且其发射波长与硅光电倍增管(SiPM)或光电倍增管(PMT)具有良好的匹配性,最终实现91056 photons/MeV的高光产额(如图1所示)。

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图1. a.Rb2CuBr3晶体结构示意图;b.量子产额;c.X射线激发荧光;d. Rb2CuBr3光产额比较

在直接探测领域,铅基钙钛矿半导体由于其X射线吸收系数高,载流子收集效率高等优势,在X射线探测领域取得了一系列进展,证明了钙钛矿在X射线探测领域的巨大潜力。但是目前溶液法制备厚膜过程中,依然存在溶剂挥发导致的孔洞,且晶粒尺寸小、结晶性低,有机无机杂化钙钛矿稳定性差等问题。利用钙钛矿材料实现X射线成像存在的瓶颈之一为实现准单晶、高灵敏度的钙钛矿厚膜。准单晶保证多晶膜具有单晶的传输性质,有利于提高载流子的收集效率,厚膜有助于X射线的充分吸收,高灵敏度有利于实现高对比度成像。

针对这一瓶颈问题,我们提出通过将CsPbBr3高温熔化成液态,分散在导电玻璃基底上,再采用石英热压成膜。这种方法制备出来的CsPbBr3具有高结晶性和均一的取向,厚度达到240 μm,且晶粒上下贯穿。电学性质上,CsPbBr3厚膜具有和单晶相当的载流子迁移率(38 cm2 V-1 s-1)和μτ值(1.32 × 10-2 cm2 V-1理论和实验也证明了,在厚膜制备的过程中,CsPbBr3容易自形成浅的溴空位缺陷,有利于光电导增益。随后研究者将CsPbBr3准单晶厚膜制备成光电导型X射线探测器,器件灵敏度达到55 684 μC Gyair-1 cm-2@ 5.0 V mm-1(如图2所示)。

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图2. a.热压法制备CsPbBr3厚膜;b.截面SEM;c.不同电场强度下光电流随X射线剂量变化

研究人员相信,具有以上优异性能的新型金属卤化物闪烁体R2CuBr3和CsPbBr3直接型探测器将会在X射线成像领域展现巨大的应用潜力。两篇论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201904711DOI: 10.1002/adma.201904405)。 唐江教授和牛广达副研究员为两篇论文的共同通讯作者。




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